Elaboration et optimisation des composites comportant des nanotubes de carbone pour le stockage de l'énergie électrique

par Jinkai Yuan

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Jinbo Bai.

Le président du jury était Gilles Régnier.

Le jury était composé de Jinbo Bai, Costantino Creton, Alain Sylvestre, Arnaud Morin, Marie-Christine Record.

Les rapporteurs étaient Costantino Creton, Alain Sylvestre.


  • Résumé

    L'augmentation croissante de la demande en énergie et l'épuisement des combustibles fossiles exigent l'amélioration de l'efficacité de l'utilisation de l'énergie ainsi que la recherche de ressources durables et renouvelables. Les condensateurs sont des systèmes de stockage de l'énergie qui se sont imposés comme une des solutions aux problèmes énergétiques en raison de leurs avantages, tels que le respect de l'environnement, et la charge et la décharge d'énergie très rapides. Des besoins se sont créés pour un système de stockage capacitif à faible coût et à haut rendement, il est donc nécessaire de développer des matériaux avec une forte permittivité diélectrique. A ce propos, les composites diélectriques à matrice polymère suscitent une attention croissante en raison de leurs bonnes performances diélectriques. Des composites à matrice polymère chargée de particules céramiques ont par exemple été utilisés dans certains condensateurs pour le stockage d'énergie. Pourtant, en pratique, l'applicabilité de tels dispositifs est sérieusement entravée par la faible permittivité diélectrique des matériaux d'une part, et par la détérioration des propriétés mécaniques en raison de la forte teneur en particules céramiques rigides dans la matrice polymère flexible d'autre part. En remplaçant ces particules céramiques par des particules conductrices dans la matrice polymère, des composites percolatifs peuvent être réalisés avec une permittivité diélectrique nettement accrue au voisinage du seuil de percolation. Parmi les charges conductrices, les nanotubes de carbone (NTC) ont été les plus étudiés. En effet, du fait de leur facteur d'aspect et de leur conductivité élevée, ces derniers peuvent conduire à des niveaux de percolation dans les composites pour une très faible quantité de charges. Un des plus grands défis pour l'utilisation des NTC dans les matériaux composites est de séparer les NTC les uns des autres afin de réaliser une dispersion uniforme dans les polymères. Les travaux présentés dans cette thèse ont porté sur l'augmentation de la permittivité diélectrique de matériaux composites à matrice polymère à base de NTC en optimisant à la fois la dispersion des nanotubes ainsi que le contrôle de la microstructure des matériaux composites finaux. L'augmentation de la permittivité diélectrique dans les composites précédents provient de la formation de microcondensateurs au sein du matériau. Toutefois, les NTC ont toujours tendance à s'agglomérer dans le composite, ce qui n'est pas bénéfique à la formation de microcondensateurs. Pour surmonter ce problème, nous avons proposé une microarchitecture hybride SiC-NTC comme charge conductrice. Ces hybrides mulit-échelles ont été produits par dépôt chimique catalytique en phase vapeur assisté par aérosol. L'organisation des NTC sur les particules de SiC peut être efficacement contrôlée en ajustant les différents paramètres de synthèse. Les résultats ont montré que les propriétés de surface asymétriques des micro-particules de SiC étaient plutôt favorables à la croissance des NTC sur SiC selon "une direction unique", alors que certaines conditions expérimentales particulières peuvent aboutir à une croissance "multi-directionnelle". Les particules hybrides de SiC-NTC ainsi obtenues ont également été incorporées dans le PVDF pour préparer des composites percolatifs. Il a été constaté que les hybrides SiC-NTC permettent d'améliorer considérablement la permittivité diélectrique du composite avec un chargement extrêmement faible en NTC. Les NTC sont orientés le long d'un axe sur chaque microplaque de SiC et séparés par une couche mince de polymère, donnant lieu à un réseau de microcondensateurs. Par conséquent, de grandes permittivités diélectriques de plus de 8700 et 2100 à 100 Hz peuvent être obtenues pour un faible taux de chargement de NTC de l'ordre de 2,30% et 1,48% en volume pour les composites à renforts "multi-directionnel" et "unidirectionnel" respectivement.

  • Titre traduit

    Elaboration and optimization of carbon nanotube-based polymer composites for electrical energy storage


  • Résumé

    Ever-increasing energy requirement and exhaustion of fossil fuels demands improving efficiency of energy usage as well as seeking sustainable and renewable resources. Energy storage capacitors are devices that could take this responsibility, and have been the focus of increasing attention due to their advantages such as environment friendliness and very fast energy uptake and delivery. As the requirements grow for a low-cost and high-efficiency capacitive storage system, there is great need for the development of materials with high dielectric permittivity. Polymer composite dielectrics are arousing increasing attention due to their large tunability in dielectric performances. Polymer composites filled with ceramic particles have been used in some energy storage capacitors. Still, their applicability for practical devices is severely hindered by the low dielectric permittivity and deteriorated mechanical and processing properties due to the high content of rigid ceramic particles in the flexible polymer matrix. By replacing ceramic particles with conductive particles in the polymer composites, the percolative polymer composites can be made with the dielectric permittivity dramatically increased in the vicinity of the percolation threshold. Among the conductive fillers, carbon nanotubes (CNTs) have been most intensively studied, as their large aspect ratio coupled with high conductivity can lead to percolation levels in composites at much low loading. One of the greatest challenges for CNT usage in composites is to debundle pristine CNTs and realize uniform dispersion into polymers. This thesis focused on increasing the dielectric permittivity of CNT-based polymer composites by both carefully optimizing the dispersion of nanotubes as well as controlling the microstructure of the composites. The dielectric permittivity increment in the previous composite systems originated from the formation of microcapacitors. However, CNTs were always frizzy in the CNT/polymer composites, which was not beneficial in forming parallel pair electrodes of microcapacitors. To overcome this problem, we proposed a microarchitecture of hybrid SiC-CNT as conductive filler. Such micro/nano hybrids were produced by floating catalytic chemical vapor deposition. The organization mode of CNTs on SiC particles could be effectively tuned by adjusting synthesis conditions. The results showed that asymmetric surface properties of 6H-SiC were prone to led to “single-direction” growth of CNTs on SiC particles, while the competition between the substrate nature and the experimental conditions can resulted in a “multi-directions” hybrid structure. Resultant SiC-CNT hybrids were further incorporated into PVDF to prepare percolative composites. It was found that the SiC-CNT hybrid can significantly improve the dielectric permittivity of SiC-CNT/PVDF composite with an extremely low CNT loading. CNTs on each SiC microplate are oriented along an axis and separated by a thin polymer matrix, giving rise to a network of microcapacitors. As a result, a large dielectric permittivity of more than 8700 and 2100 at 100 Hz could be obtained at a low CNT loading of 2.30 vol% and 1.48 vol% in the “multi-directions” and “single-direction” composites respectively.


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